研究光伏探测器的光电特性

1、研究光伏探测器的光电特性研究光伏探测器的光电特性班级：班级：电科电科132132姓名：高加庆姓名：高加庆学号：学号：1346121013461210研究光伏探测器的光电特性概述仪器简介技术指标注意事项目的要求仪器用具实验原理实验内容思考与讨论一、概述FD-PPD-A光伏探测器光电特性实验仪光电二极管与光电池是根据光伏效应制成的pn结光电器件，短路电流与入射光强成短路电流与入射光强成正比是其一个突出优点，在精确测量光强时常用作探测器。光敏电阻是基于光电导效应原理工作的半导体光电器件，灵敏度高，体积小，重量轻，常用于自动化技术中的光控电路。FD-PPD-A型光伏探测器光电特性实验仪是上海复旦天欣科

2、教仪器有限公司专门针对全国中学生物理竞赛的实验内容开发的一款实验仪器。该仪器融合了“测量光敏电阻的光电特性”与“研究光伏探测器的光电特性”两组实验内容，且概念清晰、稳定可靠，结构设计合理、测量结果准确度高。二、仪器简介FD-PPD-A型光伏探测器光电特性实验仪主要由光电二极管、光电池、光敏电阻、直流电源、小灯泡、数字万用表1块、电阻箱、实验暗箱组成，如下图1所示。三、技术指标1.直流电源 0-4V连续可调，显示分辨率0.01V；2.电阻箱 0-99999.9可调，分辨率0.1；3.数字万用表电流测量分辨率0.01A（20A档）;4.光敏电阻暗电阻大于4m；5.小灯泡额定电压6.3V，额定电流0

3、.1A。6.传感器移动范围约17cm四、注意事项1.使用数字万用表电流档前请务必检查表是否正确插在电流测量的插座，否则易造成损坏；2.光电池加反向偏压时，若串联电阻箱阻值过小，则反向偏压可能无法到达4V；3.当代工艺下生产的光敏电阻暗电阻阻值一般都非常大，可能无法用数字万用表准确测得暗电阻的阻值大小。【目的要求】1.观测光电二极管的光电特性；2.观测光电池的光电特性。【仪器用具】光电二极管，光电池，直流电源，小灯泡（6V，0.15A），数字万用表2块（其中一块表有直流电流200A量程），电阻箱（电位器），实验暗箱等如下图所示。【实验原理】1.光伏效应光伏效应当光照射在pn结上时，由光子所产生的

4、电子与空穴将分别向n区和p区集结，使pn结两端产生 电动势。这一现象称为光伏效应光伏效应，如图2所示。利用半导体pn结光伏效应可制成光伏探测器，常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电三极管等。 光电池是根据光伏效应制成的pn结光电器件。不需要加偏压就可以把光能转化为电能。光电池的用途，一是用作 ；二是作为太阳能电池，将太阳能转化为电能。光电池的结构示意图及应用电路如图3所示。光电池的光照特性主要有伏安特性、入射光强-电流（电压）特性和入射光功率-负载特性。 光电池的结构示意图及应用电路如图3所示。2. 光照下的pn结特性 光照下pn结的伏安特性曲线如图4所示。无光照时，pn结的伏安特性曲线

5、和普通二极管的一样。有光照时，pn结吸收光能，产生反向光电流，光照越强，光电流越大。 光伏器件用作探测器时，需要加反偏压加反偏压或是不加偏压不加偏压。不加偏压时，光伏器件工作在图4的第四象限，称为光伏工作模式。加反偏压时，光伏器件工作在图4的第三象限。无光照时，电阻很大，电流很小，有光照时，电阻变小，电流变大，而且电流随光照变化，光照特性类似于光敏电阻，称作光电导工作模式。但是光伏器件和光敏电阻的工作机理不同，特性也有很大差别。光电池按照光伏模式工作在图4的第四象限。有光照时光电池的电流为 （1）式中q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数，T为结温（单位为K），I为总电流，U为光电池的输出电压，Is

6、为反向饱和电流，IL为光电流。光生电流IL与光照有关，随光照的增大而增大，呈线性关系。（1）一个一个R RL L负载电阻；负载电阻；V VA A-外接偏置电外接偏置电源源光伏探测器的等效电路如下图光伏探测器的等效电路如下图3. 光电池的开路电压和短路电流在pn结开路时，总电流为零，光电池的输出电压称为开路电压Uoc。将I=0代入式（1），即可得到开路电压Uoc与光照E的对数成正比。如果将pn结短路，输出电压为零，将U=0代入式（1），即可得到短路电流Isc与入射光照度E成正比。从图4的伏安曲线上也可以得到Uoc和Isc，伏安曲线与电压轴的交点为开路电压Uoc，与电流轴的交点为短路电流Isc。短

7、路电流Isc与入射光强成正比是光电池的一个突出优点，因而在精确测量光强时常用光电池作为光探测器。实际测量时都要外接负载电阻RL，当RL相对于光电池的内阻很小时，可以认为接近短路。显然，负载愈小，光电流与照度之间的线性关系愈好，且线性范围愈宽。 光电池的短路电流和开路电压与入射光照度的关系如图5所示。4. 4. 光电池的输出功率和负载特性光电池的输出功率和负载特性 光电池作为电源使用时，其输出功率与负载电阻RL有关。光电池工作在零偏压下，因此其伏安曲线（图6）是在某一光照下，取不同负载电阻RL测得的输出电压和输出电流绘制而成。由输出电压和电流数据，可计算得到光电池的输出功率P和负载电阻RL，作输

8、出功率P与负载电阻RL的关系曲线，即可得到光电池的最大输出功率Pmax及相应的负载电阻RLmax。5. 光电二极管 光电二极管的结构与一般二极管相似，管子封装在透明玻璃外壳中，它的pn结装在管顶，便于接受光的照射。光电二极管的光照特性如前所述，没有光照时，光电二极管的反向电阻很大，反向电流很小（一般为纳安(nA)数量级），光电二极管处于截止状态；受光照时光电二极管处于导通状态，光电流的方向与反向电流一致，光线越强，光电流越大。 光电二极管可以按光电伏型模式工作（即不加外偏压），也可以按光电导型模式工作（外加反向偏压）。硅光电二极管通常 用作检测元件，工作在负偏压下，其光电线性好，而且响应快。基

9、本应用电路如图7所示。【实验内容】 1. 观察光电二极管的光电特性。 （1） 用数字万用电表二极管测试档确定光电二极管的正负极。 （2） 使用数字万用表直流电压量程开路电压Uoc。改变光照条件，观察Uoc的变化。用数字万用电表直流电流200A量程（200A档内阻约为1000）粗测光电流I。改变光照条件，观察光电流I的变化。 2. 测量光电二极管处于光伏型模式的光电特性。 令光电二极管工作在零偏压下，用电阻箱作为负载电阻，光源使用小灯泡（6.3V，0.15A）。固定小灯泡的工作电流，使灯泡的发光强度不变。改变小灯泡和光探测器的距离，利用照度与r2成反比的关系，测量光电二极管的光电线性（相对）。

10、（1） 测量光电二极管的短路电流与入射光照度的关系。 （2） 测量光电二极管的开路电压与入射光照度的关系。 3. 测量光电二极管处于光电导模式的光电特性。 连接电路如图7。设计实验方案，测量光电二极管的光电特性。使用数字万用表直流电压量程开路电压Uoc。改变光照条件，观察Uoc的变化。电路连接图如下所示。实验过程及数据处理：用数字万用电表直流电流200A量程（200A档内阻约为1000）粗测光电流I。改变光照条件，观察光电流I的变化。电路连接图如下所示。数据如表一所示：P/mWU/VI/AP/mWU/VI/A00.2240.263.00.2240.260.5 0.2240.263.50.224

11、0.261.0 0.2240.264.00.2240.261.5 0.2240.264.50.2240.262.0 0.2240.265.00.2240.262.5 0.2240.26X=15cm，只改变P的大小时，开路电压和短路电流的数据如下：表一数据关系曲线分别如下：电流与电源功率变化的关系曲线图结论:光电二极管的电流变化与电源功率无关。0246-0.50.00.51.0U (V)P (mW) Ud e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m o

12、d e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m od e m o电压与电源功率变化的关系曲线图结论:光电二极管的电压变化与电源功率无关。P=2.50mW，只改变小灯泡和光探测器的距离X时，数据如表二所示：表二数据关系曲线分别如下：结论:短路电流Isc与入射光强近似呈二次函数关系，距离X越远，电流越大；电流在X为20cm之前，在变化不明显，X20cm时呈二次函数关系增大

13、，电流变化越明显。光强即是光电二极管到电源的距离X。X/cm短路电流与入射光强的关系曲线图X/cm开路电压与入射光强的关系曲线图结论：开路电压与入射光强呈二次函数关系，光电二极管离电源的距离越大，电压越大。（1） 测量光电二极管的短路电流与入射光照度的关系。实验电路图如下所示。（2） 测量光电二极管的开路电压与入射光照度的关系。实验电路图如下所示。当P=3.00mW，X=24cm时，测量光电二极管的光电线性，数据如表三所示：表三数据关系曲线分别如下：结论：在发光的条件不变的情况下，通过改变负载电阻RL的大小，负载电阻RL越大，电流I越小，两者成反比的关系，I=U总/(r+RL),其中r为万用电

14、表的内置电阻。负载电阻RL与电流I的关系曲线图结论：在发光的条件不变的情况下，通过改变负载电阻RL的大小，负载电阻RL越大，电压U越大，两者近似成正比的关系，U=U总-U总*r/(r+RL)其中r为万用电表的内置电阻。负载电阻RL与电压U的关系曲线图负载电阻RL变化时电压U与电流I的关系曲线图结论：在发光的条件不变的情况下，通过改变负载电阻RL的大小，电压越来越大，电流越来越小。负载电阻RL与功率的关系曲线图结论：在发光的条件不变的情况下，通过改变负载电阻RL的大小，光电二极管的电功率P随着负载电阻RL的增大而增大。前期呈正比变化，越大变化趋势逐渐减小。当负载电阻RL=5K且P=3.00mW时

15、，改变小灯泡与光电二极管之间的距离，测得的数据如表4所示：X/cm I/A U/mVX/cm I/A U/mVX/cm I/A U/mVX/cm I/A U/mVX/cm I/A U/mV10.061.560.082.1110.143.6160.317.9211.1128.220.061.670.092.3120.164.1170.389.7221.6842.730.061.780.12.6130.194.8180.4811.9232.7369.640.071.890.112.9140.225.6190.615.7245.48 133.850.071.9100.123.2150.266.6200.8121258